Verkeersdrukte in cellen blijkt sleutel tot bouwen van kunstmatige cellen

In een levende cel is het altijd druk. Eiwitten, DNA en andere grote moleculen verdringen elkaar voortdurend in een kleine ruimte. Wetenschappers noemen dit 'macromoleculaire verdichting' (macromolecular crowding). Die drukte lijkt op het eerste gezicht een lastige bijkomstigheid, maar onderzoekers van het Institute of Science Tokyo laten nu zien dat je deze eigenschap juist kunt inzetten als bouwgereedschap. Hun studie, gepubliceerd in het tijdschrift JACS Au, toont aan dat een drukke omgeving helpt om kunstmatige DNA-druppels gerichter te vormen en te ordenen. Dat is belangrijk voor onderzoekers die kunstmatige cellen willen nabouwen: kleine, door mensen gemaakte systemen die functies van echte cellen overnemen.

DNA-sterren die druppels vormen

Het team, onder leiding van professor Masahiro Takinoue, werkte met zogeheten DNA-nanosterren: kleine, Y-vormige structuren van synthetisch DNA. Deze sterren hebben korte, plakkerige DNA-uiteinden waarmee ze aan elkaar kunnen hechten. Onder de juiste omstandigheden klonteren ze samen tot vloeibare druppeltjes, een proces dat vloeistof-vloeistof fasescheiding heet. Zonder extra hulpmiddelen ontstaan deze druppels pas als een oplossing afkoelt tot onder de 63 graden Celsius. De onderzoekers voegden vervolgens stoffen toe die de omgeving opzettelijk 'verdichten', zoals polyethyleenglycol (PEG), dextran en Ficoll. Deze stoffen bootsen de drukke binnenkant van een cel na. Met 10 procent PEG ontstonden de druppels al bij 76 graden Celsius, met dextran bij 65 graden en met Ficoll bij 67 graden. PEG met een hoog moleculair gewicht werkte het sterkst en kreeg daarom de meeste aandacht in vervolgexperimenten.

Druppels laten samenwerken zonder te versmelten

Belangrijk is dat PEG niet op eigen kracht druppels maakt. Zonder de plakkerige DNA-uiteinden gebeurde er niets, ook niet met PEG erbij. De verdichting versterkt dus alleen een proces dat al op gang is gebracht door de DNA-sterren zelf. Daarna gingen de onderzoekers een stap verder: ze maakten twee soorten DNA-sterren die niet met elkaar konden binden. Normaal gesproken vormen die twee typen gescheiden druppels die elkaar negeren. Met PEG in de oplossing kwamen de druppels wél met elkaar in contact, zonder dat ze versmolten tot één geheel. Door de hoeveelheid PEG, de verhouding tussen de DNA-soorten en het zoutgehalte aan te passen, konden de onderzoekers de druppels laten rangschikken in afwisselende patronen, netwerken en zelfs structuren met drie verschillende soorten DNA-sterren naast elkaar.

Op weg naar kunstmatige weefsels

Volgens Takinoue laat dit zien dat macromoleculaire verdichting niet alleen een kenmerk van levende cellen is, maar ook een stuurbaar ontwerpprincipe. De techniek zou kunnen bijdragen aan kunstmatig weefsel, moleculaire communicatienetwerken, moleculaire rekensystemen en programmeerbare micromachines, waarbij functie ontstaat doordat de bouwstenen zichzelf op de juiste manier ordenen.